Membranas Celulares

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3. MEMBRANAS CELULARES
INTRODUÇÃO
Ao longo das atividades propostas até agora passou-se a conhecer, em linhas gerais, o nosso objeto de estudo nesta disciplina. Relacionou-se as células aos seres vivos, fez-se uma incursão pela célula, soube-se um pouco de sua história, como se apresentam, a grande variedade de formas e tipos celulares. Pode-se perceber que, embora sejam microscópicas, muitos materiais podem ser preparados para permitir sua visualização. E a tecnologia tem colaborado muito para que os conhecimentos sobre a Biologia e a Fisiologia Celular sejam construídos dentro de estreita relação com os avanços da medicina e muitas outras ciências.
Vamos agora começar a estudar com mais aprofundamento as partes formadoras das células. E iniciaremos por estudar as membranas: Para começar, lembrem-se que a presença de uma membrana é característica universal das células. Está presente em todas as células até hoje observadas. Pode-se afirmar que as membranas tornam a vida possível ao permitir que as células criem um ambiente interno diferente daquele que as cercam. Nas células eucarióticas encontram-se ainda as membranas adicionais, isto é, outras além da citoplasmática. Essas membranas adicionais subdividem as células em compartimentos, espaços com composições químicas adequadas as funções que exercem. As membranas celulares são capazes de separar esses ambientes, pois são, geralmente, impermeáveis a macromoléculas e apresentam permeabilidade seletiva para os íons.
Todas as membranas celulares apresentam como característica comum o fato de serem constituídas por uma bicamada lipídica, por proteínas integrantes que cruzam a bicamada e por outras proteínas associadas as suas superfícies. Ligados quimicamente em algumas das moléculas de lipídios e de proteínas a maioria das membranas apresenta, ainda, carboidratos, formando os glico conjugados.
As membranas celulares só puderam ser observadas após a invenção do microscópio eletrônico, pois suas dimensões estão abaixo do limite de resolução dos microscópios ópticos. No entanto, mesmo antes desse importante invento, técnicas indiretas de observação apontavam na direção de sua existência. Entre essas observações, está o fato de as células variarem de volume de acordo com a concentração do meio em que estão colocadas. Essas primeiras observações foram feitas com hemácias de mamíferos e células vegetais e podem ser repetidas com bastante facilidade.
Assim como a constituição química básica das membranas é simples, a organização desses componentes químicos, na membrana, também o é. As caudas de ácidos graxos dos lipídios ficam no centro da bicamada, escondidas da água que existe em grande quantidade dentro e fora das células. As cabeças polares ficam expostos a esses meios aquosos. O interior hidrofóbico é pouco permeável aos íons, o que representa uma barreira entre os compartimentos.
As proteínas integrais incluem uma grande variedade de enzimas, proteínas de adesão, receptores de sinais, canais iônicos, bombas e carreadores de solutos.
As proteínas periféricas, aquelas encontradas na superfície da bicamada participam de reações enzimáticas e reações de sinalização. Por meio delas as células trocam informações entre si e com o meio, reconhecem outras células e diversos tipos de moléculas como acontece com os hormônios. Também colaboram com a formação de um esqueleto associado à membrana na sua superfície e reforça a bicamada lipídica conectando-a aos filamentos do citoesqueleto. Pode-se ainda citar que as proteínas periféricas participam da união entre células.
E as membranas adicionais? Vimos que essas membranas, uma das características mais notáveis das células eucariontes, limitam muitas das estruturas celulares, como os núcleos, retículos, complexo golgiense, lisossomos, peroxissomos, mitocôndrias e cloroplastos. Essa subdivisão permite a distribuição de trabalho, a execução de tarefas em separado, com mais eficiência, sem que o que está acontecendo em um espaço interfira de forma negativa naquilo que está acontecendo nos demais.
Com relação aos sistemas enzimáticos que se prendem ás membranas, tem-se a eficiência de suas funções muitas vezes multiplicadas: As moléculas enzimáticas ficam presas a membrana em uma sequência tal que o produto de uma reação enzimática é processado pela enzima ao lado em uma sucessão de eventos até o produto final. Aqui pode-se usar a cadeia transportadora de elétrons na membrana interna das mitocôndrias como exemplo. 
3.1 MEMBRANA CITOPLASMÁTICA: ESTRUTURA E FUNÇÃO
As membranas celulares permitem que as células mantenham um ambiente interno diferente do ambiente que as cercam. Em células eucarióticas encontram-se as membranas adicionais que as subdividem em compartimentos, cada um com composição adequada para as atividades bioquímicas que realizam. Por serem impermeáveis às macromoléculas e possuírem permeabilidade seletiva para os íons, as membranas podem manter esses ambientes separados.
Além de manter a constância do meio intracelular, as membranas estabelecem as trocas entre as células e os meios extracelulares, fazem o reconhecimento de outras células e de substâncias químicas e estabelecem o contato físico e químico com células diversas. 
Os primeiros indícios da existência da membrana citoplasmática foram obtidos de forma indireta. Observou-se que as células alteravam o seu volume quando colocadas em meio com concentrações diferentes das concentrações de seus citoplasmas. 
A Figura 3.1 mostra variações de volume celular, quando células animais e vegetais são colocadas em meio isotônico (I), meio hipertônico (II) e meio hipotônico (III), em relação ao citoplasma de cada uma delas.
Figura 3. 1 Células vegetais e animais submetidas a meios de diferentes concentrações
Fonte: Google Imagens. Disponível em: < http://migre.me/rd8sk >. Acesso em: 12 ago. 2015. (Modificado)
Os experimentos pelos quais as células mostradas foram obtidas podem ser repetidos com facilidade. Utiliza-se, no caso das células animais, hemácias de mamíferos placentários. Essas células são bastante grandes, fáceis de serem obtidas, podem ser observadas em microscópios de baixo poder de resolução, são naturalmente coradas e não possuem membranas adicionais, além de terem um formato bastante peculiar. Para a observação com as células vegetais usou-se a epiderme das folhas de Tradescantia spathacea cujas células possuem um pigmento característico em seus vacúolos (antocianina), o que favorece a observação da plasmólise (saída do solvente do vacúolo) e deplasmólise (retorno do solvente ao vacúolo). 
Esses experimentos evidenciaram indiretamente as membranas celulares porque o comportamento das células quando submetidas a meios de concentrações distintos daquele de seus citoplasmas era o mesmo dos sistemas separados por membranas artificiais: O solvente flui do meio menos concentrado (solução com menor número de partículas de soluto) para o mais concentrado (solução com maior número de partículas de soluto). A saída e a entrada de solvente é que vai ocasionar a variação no volume das hemácias e no vacúolo das células vegetais. Essas variações de volumes podem ser percebidas pelas mudanças na forma típica das hemácias, que ficam esféricas quando ganham solvente e crenadas quando perdem. No caso das células vegetais, que possuem a parede celular rígida, a mudança na forma é pouco perceptível, mas, a retração do vacúolo pode ser observada pela diminuição da região corada quando perde solvente. 
Os atuais conhecimentos sobre as membranas tiveram início quando, por volta de 1920 ficou provado que essas estruturas celulares são constituídas por uma bicamada lipídica. Bioquímicos extraíram lipídios da membrana e comprovaram que essas moléculas, quando colocadas em água, organizavam-se em uma monocamada com dimensões suficiente para revestir duas vezes a superfície das hemácias de onde foram retiradas. Embora tenham ocorrido alguns equívocos nessas primeiras experiências, foram elas as pioneiras para elucidar as questões sobrea organização dos constituintes químicos que compõem os envoltórios celulares.
A partir de 1930 os fisiologistas celulares perceberam que apenas uma bicamada lipídica era insuficiente para explicar todas as funções associadas as membranas. Pelas propriedades observadas postularam a existência de proteínas o que ficou provado por técnicas avançadas de micrografias eletrônicas, marcação química de proteínas com fluorescência e estudos espectroscópicos quantitativos.
Experimentos utilizando as técnicas mencionadas permitiram elucidar a organização dos constituintes químicos nas membranas celulares: Proteínas inseridas na dupla camada lipídica, âncoras lipídicas em algumas proteínas e, ainda, outras proteínas apenas ancoradas na bicamada. Como os lipídios difundem-se lateralmente, a bicamada é fluida e empresta essa propriedade para a membrana em sua totalidade.
Entre as proteínas integrantes estão as enzimas, proteínas de adesão, proteínas receptoras, canais iônicos, bombas e transportadoras de soluto. Vale salientar que muitos hormônios e moléculas sinalizadoras extracelulares não penetram na bicamada lipídica. Nesses casos, as moléculas extracelulares se ligam a proteínas receptoras da membrana e transmitem sinais através destas. As células usam diversas famílias de distintas proteínas para detectar e responder a grande variedade de estímulos físicos e químicos que recebem.
As proteínas periféricas são encontradas na superfície da bicamada. Algumas participam de reações enzimáticas e reações de sinalização. Outras ligam-se a face citoplasmática da bicamada e fornecem um reforço ao conecta-la aos elementos do citoesqueleto.
A figura 3.2 ilustra a estrutura química da membrana celular com destaque para a dupla camada lipídica e as proteínas associadas
Figura 3.2 Membrana celular: Estrutura Química
Fonte: Google Imagens. Disponível em: < http://migre.me/rdV10 >. Acesso em: 12 ago. 2015. (Modificado)
3.2 OS LIPÍDIOS E AS PROPRIEDADES DA MEMBRANA
Os lipídios desempenham diversos papeis importantes nas células: Atuam como sinais para direcionar proteínas para as membranas, armazenam energia, atuam como hormônios e formam a estrutura básica das membranas celulares.
Os lipídios mais frequentemente encontrados nas membranas biológicas são os fosfolipídios (fosfoglicerídios e esfingolipídios) e os esteroides como o colesterol, em células animais e outros esteroides nas células vegetais (Figura 3.3)
Figura 3.3 Lipídios mais frequentes em membranas biológicas
Os fosfoglicerídios são os principais constituintes da bicamada lipídica das membranas. Cada molécula de fosfoglicerídio é formada por três partes essenciais: Um esqueleto de três carbonos de glicerol, duas longas cadeias de ácidos graxos e um ácido fosfórico. São moléculas anfipáticas com uma “cabeça” hidrofílica constituída pelo grupo fosfato e o álcool ligado a esse grupo. Como exemplo dos álcoois mais comuns tem-se serina, etanolamina ou colina (Figura 3.4)
Nas membranas, os fosfoglicerídios dispõem-se de forma que a região hidrofóbica fique em contato com a região hidrofóbica de outros fosfolipídios ou com regiões não polares de outros constituintes da membrana, tais como colesterol, glicolípidos ou proteínas. A região hidrofílica (polar) dispõe-se voltadas para os ambientes aquosos (meio intracelular ou meio extracelular). Essas interações dão origem à bicamada lipídica que é característica das membranas celulares 
Figura 3.4 Fosfoglicerídios da membrana
Fonte: Google Imagens. Disponível em: < http://migre.me/rfbzG >. Acesso em:19 ago. 2015. (Modificado)
A maioria dos lipídios das membranas biológicas que contêm açúcar são denominados de esfingolipídios. As propriedades físicas dos esfingolipídios são semelhantes ao dos fosfoglicerídios. Esses lipídios conferem diversidade a estrutura das membranas e têm importantes funções na comunicação celular
3.2.1. FLUIDEZ
Fosfoglicerídios e a fluidez
Os lipídios das membranas são capazes de se difundir na bicamada, trocam frequentemente de lugar com as moléculas vizinhas o que gera uma difusão lateral rápida. Essas moléculas também giram em torno do seu eixo e as suas cadeias de ácidos graxos são flexíveis. Os movimentos individuais de difusão lateral e de rotação das moléculas lipídicas e o movimento de flexão das cadeias de ácidos graxos (Figura 3.5) - tornam a dupla camada lipídica fluida, condição necessária para sua correta funcionalidade.
Figura 3.5 Movimento dos Lipídios na Dupla Camada.
Fonte: Google Imagens. Disponível em: < http://migre.me/rriNb >. Acesso em:04 set. 2015. (Modificado)
A fluidez das membranas é uma propriedade que precisa ser mantida dentro de rígidos padrões. Algumas das suas atividades, como a permeabilidades e a atividade de algumas enzimas ficam modificadas com alteração na viscosidade dessa estrutura.
Experimentos realizados com membranas artificiais mostram que variações na temperatura influencia sobremaneira na movimentação dos lipídios, consequentemente na fluidez da dupla camada. Se a temperatura for tornada muito baixa essas membranas diminuem a fluidez, passam por uma mudança denominada transição de fase: Tornam se um gel rígido, quase estático. No entanto, se a dupla camada for enriquecida com lipídios com cadeias de ácidos graxos mais curtas e mais insaturadas (maior número de duplas ligações), suportam mais as baixas temperaturas, cristalizam-se somente com temperaturas bem mais baixas que as anteriores, quando havia mais moléculas de ácidos graxos de cadeias mais longas e menos insaturadas. Quais as causas para essas variações observadas? As cadeias de ácidos graxos mais longas têm maior tendência de interagirem entre si e cristalizarem-se com maior facilidade do que as mais curtas. Também o grau de instauração influencia no movimento dos lipídios, uma vez que as cadeias mais insaturadas (com maior número de dupla ligações em cis), são mais flexíveis, fica mais difícil de serem agrupadas, interagem menos, cristalizam-se menos (Figura 3.6)
Figura 3.6 Influência de Duplas Ligações nas Cadeias de Ácidos Graxos dos Fosfoglicerídios
Fonte: Google Imagens. Disponível em: < http://migre.me/rriNb >. Acesso em:04 set. 2015. (Modificado)
Colesterol e a fluidez
As membranas das células animais contém uma considerável quantidade de colesterol. Essas moléculas também exercem forte influência na propriedade de fluidez da membrana e interferem na permeabilidade.
As moléculas de colesterol orientam-se na bicamada lipídica com seus grupamentos hidroxilas próximos aos grupos das cabeças polares das moléculas de fosfolipídios. Nessa posição o anel esteroide rígido interage com as regiões das cadeias de ácidos graxos mais próximos das cabeças polares o que vai imobilizar parcialmente essas regiões (Figura 3.7)
Em consequência da redução da mobilidade ocasionada pela presença do colesterol a bicamada torna-se menos susceptível a deformações nessas regiões, o que vai influenciar sobremaneira a fluidez das membranas celulares. No entanto, pela localização que ocupam, entre as moléculas de fosfoglicerídios, o colesterol impede que as cadeias de ácidos graxos se aproximem e cristalizem-se, o que afetaria sobremaneira a fluidez, pois deixaria as cadeias de ácidos graxos mais próximas, com mais facilidade de interagirem entre si
Assim, pode-se dizer que que o colesterol age como controlador da propriedade de fluidez das membranas.
Figura 3.7. Em I a estrutura da molécula de colesterol e em II sua localização entre as moléculas de fosfoglicerídios 
Fonte: Google Imagens. Disponível em: < http://migre.me/rfrF1 >. Acesso em:19 ago. 2015. (Modificado)
3.2.2 ASSIMETRIA
Os principais fosfoglicerídios da membrana citoplasmática são: fosfotidilserina, fosfotidiletanolamina, fosfotidilcolina, fosfotidilinusitol e esfingomielina que se distribuem assimetricamente nas duas faces da membrana.
A distribuição assimétrica dos constituintes químicos das membranas é válida tanto para os diferentes lipídios como para os glicoconjugados(Figura 3.8 – I e 3.8 - II).
Figura 3.8. Esquema da Distribuição Assimétrica dos Constituintes Químicos das Membranas. Em I a distribuição de Fosfoglicerídios e em II dos Glicolipídios, Glicoproteínas e Proteínas Periféricas.
Fonte: Google Imagens. Disponível em: < http://migre.me/rhrV0 >. Acesso em: 23 ago. 2015. (Modificado)
A distribuição assimétrica dos lipídios da membrana nas duas faces da bicamada tem papel importante na sinalização celular, permitem um meio adequado no controle e na ativação das enzimas atuando ainda na fusão das membranas.
Erros na assimetria podem levar a sérios problemas de saúde (a β talassemia é um exemplo de patologia associada a assimetria irregular na membrana dos eritrócitos) 
Vale salientar que a membrana apresenta assimetria, também, em relação a distribuição dos glicoconjugados (lipídios e proteínas associados aos carboidratos) que estão distribuídos na face voltada para fora das células e em relação as proteínas que tem distribuição bastante variada nas duas faces. Figura 3.8 II
3.3 PROTEÍNAS DE MEMBRANA
Enquanto os lipídios formam a estrutura básica das membranas, as proteínas são as moléculas responsáveis pelas atividades desempenhadas por essas estruturas e em consequência da grande variedade de tipos e quantidades com que existem em cada uma delas, fazem das membranas celulares entidades únicas, com quantidades de componentes químicos variáveis e funções específicas. Nos axônios, a membrana mielínica é riquíssima em lipídios e apenas 25% de seus componentes são proteínas. Essa composição essencialmente lipídica torna a bainha mielínica um isolante elétrico de suma importância para a condução dos impulsos nervosos. Já nas membranas internas das mitocôndrias e dos cloroplastos 75% das moléculas são proteínas. Isso favorece as reações altamente complexas que acontecem nesses locais, como aquelas que resultam na produção das moléculas de ATP.
3.3.1 ASSOCIAÇÃO DAS PROTEÍNAS NA BICAMADA LIPÍDICA
A maneira com que as proteínas se associam a bicamada lipídica é bastante variável.
Proteínas Integrantes
Algumas proteínas cruzam a bicamada. Nesse caso, são proteínas anfipáticas. As porções polares da cadeia proteica ficam expostas nos meios aquosos (dentro e fora da célula). As porções apolares, portanto, hidrofóbicas, ficam em contato com os ácidos graxos dos lipídios da dupla camada. Essas proteínas são denominadas integrantes. Podem cruzar a bicamada apenas uma vez (proteínas unipasso, na forma de uma α hélice única) ou com diversas passagens (proteínas multipassos, na forma de múltiplas α hélices) (Figura 3.9-1 e 2)
Outras proteínas integrantes estão expostas em apenas uma face da membrana. Nesses casos podem estar ancoradas por meio de uma α hélice anfipática, outras por meio de uma cadeia de ácido graxo (sempre na face citosólica) (Figura 3.9 -3) ou ainda por uma âncora de oligossacarídeo (sempre voltadas para a face extracelular) (Figura 3.9 -4).
Um exemplo desses tipos de proteínas são os receptores celulares de superfície, importantes na sinalização celular
Proteínas Periféricas
Estão ligadas apenas a outras proteínas da membrana, por ligações não covalentes. (Figura 3.9 - 5 e 6)
 Essas moléculas podem ser extraídas por meio de tratamentos relativamente suaves, como variações de pH ou por exposição a soluções de força iônica extremas. Uma dessas proteínas periféricas bem conhecida é a espectrina, moléculas longas, formada por dois polipeptídios. Fazem parte do esqueleto interno dos eritrócitos e são responsáveis pela forma bicôncava dessas células. 
Figura 3.10 maneiras pelas quais as proteínas se associam a bicamada lipídica
Fonte: Google Imagens. Disponível em: < http://migre.me/rhzS6 >. Acesso em: 23 ago. 2015. (Modificado)
3.3.2 FUNÇÕES PRINCIPAIS DAS PROTEÍNAS DAS MEMBRANAS
As proteínas que fazem parte das membranas celulares exercem funções bastante variadas, de acordo com o tipo celular e a membrana em questão (Figura 3.11), mas basicamente atuam como:
Transportadoras de substâncias (Figura 3.11-1)
Estruturas de ligação entre a célula e componentes da matriz extracelular ou entre a célula e componentes do citosol (Figura 3.11-2)
Receptoras de substâncias do meio extracelular, o que, geralmente, gera uma resposta intracelular (Figura 3.11-3)
Enzimas para reações que ocorrem em diversas membranas (Figura 3.11-4)
Como antígenos que identificam as membranas de um determinado organismo (3.11-5)
Figura 3.11 Proteínas de membrana e suas funções
Fonte: Google Imagens. Disponível em: < http://migre.me/rhDoF >. Acesso em: 23 ago. 2015. (Modificado)
3.4 TRANSPORTE ATRAVÉS DAS MEMBRANAS
A composição química interna das células é mantida pela membrana citoplasmática. O centro da bicamada lipídica é hidrofóbico, o que a torna impermeável para a grande maioria das moléculas polares. Assim as membranas mantem o citosol com concentração de soluto diferente da concentração do meio que a cerca. Esse fato é válido também para os compartimentos celulares, com composições químicas únicas e distintas da do citoplasma. Mas as células precisam de nutrientes essenciais que vem de fora e também precisam regular a concentração iônica interna e excretar produtos metabólicos diversos. Como esses transportes são possíveis? Íons inorgânicos e pequenas moléculas orgânicas hidrossolúveis atravessam a membrana auxiliadas por proteínas transmembrana específicas. Para se ter uma ideia da importância desse transporte verifica-se que, na maioria dos organismos, até 30% de suas proteínas de membrana são transportadoras e algumas células especializadas de mamíferos consomem até dois terços de sua energia metabólica no transporte transmembrana.
Para que se possa entender bem o transporte através das membranas celulares, vamos inicialmente considerar uma bicamada lipídica sintética (Figura 3.12).
Figura 3.12 Permeabilidade relativa das bicamadas lipídicas sintéticas a diferentes classes de moléculas
De forma muito semelhante ao que se verifica nas membranas sintética, as membranas celulares permitem a passagem de água e de moléculas não polares por difusão simples. As moléculas polares, tais como íons, açúcares, aminoácidos nucleotídeos e muitos outros metabólitos celulares, cruzam as membranas muito lentamente e o fazem auxiliadas por proteínas de transporte, que ocorrem em todos os tipos de membranas biológicas. Essas proteínas são específicas para o soluto a ser transportado e de extrema importância para o correto metabolismo.
Duas classes de proteínas estão diretamente envolvidas com o transporte através das membranas: As proteínas carreadoras (carreadores, permeases ou transportadoras) e as proteínas de canal. As primeiras, ligam-se ao soluto, sofrem mudanças em sua forma, e transferem o soluto para o outro lado da membrana. Nesse caso, as permeases facilitam a passagem do soluto sem gasto de energia. As proteínas de canal ligam-se fracamente com o soluto. Na realidade formam poros aquosos que cruzam a membrana permitem a passagem do soluto, geralmente íons inorgânicos (ver Figura 3.13)
Figura 3.13 Proteínas Carreadoras e Proteínas de Canal
Fonte: Google Imagens. Disponível em: < http://migre.me/rhDoF >. Acesso em: 28 ago. 2015. (Modificado)
O transporte mediado pelas proteínas de canal é sempre passivo. Algumas proteínas carreadoras executam o transporte passivo (difusão facilitada). No caso do transporte de uma única molécula sem carga é a diferença de concentração dessa partícula nos dois lados da membrana (gradiente de concentração) que conduz o transporte passivo e determina a direção desse transporte.
Mas é preciso considerar que as células também necessitam manter em seu interior algumas moléculas e íons em concentrações diferentes da concentração externa. Um dos exemplos mais conhecidos é a dos íons potássio (K+) e sódio (Na+) que devem ser mantidos em concentrações distintas dentro e fora das células. A concentração de potássio é cerca de dez vezes maior no citoplasma celular do queno meio externo e a do sódio, cerca de quinze vezes maior no meio externo do que no citoplasma celular. Nesses casos as células gastam energia para transportar esses íons contra o gradiente de concentração em um tipo de transporte denominado de transporte ativo. No exemplo citado as células utilizam proteínas transportadoras para capturar o Na+ e transportá-lo para fora da célula. Essas mesmas proteínas captam o K+ e os transportam para o citoplasma. Nesse processo, conhecido como bomba de sódio e potássio as células gastam energia, que é obtida pela quebra das moléculas de trifosfato de adenosina (ATP) em difosfato de adenosina (ADP).
Os processos de endocitose (fagocitose e pinocitose) também são ativos, transportam grande quantidade de partículas volumosas, macromoléculas e muitas vezes células inteiras, como bactérias e fungos, por exemplo. Esses processos serão discutidos mais detalhadamente em capítulo posterior. A figura 3.14 ilustra o transporte ativo por meio da bomba de sódio e potássio.
Figura 3.14 Modelo molecular da bomba de sódio e potássio
Fonte: Google Imagens. Disponível em: < http://migre.me/rhDoF >. Acesso em: 28 ago. 2015. (Modificado)